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《轴承》2024年 第10期
引文格式：
娄志浩，宋晨飞，任雨龙，等.不同载荷下轴承波纹状损伤的形成规律和材料损伤机制[J].轴承，2024（10）：39-45.
LOU Zhihao，SONG Chenfei，REN Yulong，et al.Formation Rules and Material Damage Mechanisms of Corrugated Damage in Bearings Under Different Loads[J].Beairng,2024（10）：39-45.
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不同载荷下轴承波纹状损伤的
形成规律和材料损伤机制
娄志浩 ![]()
宋晨飞任雨龙杜三明张永振
（河南科技大学 高端轴承摩擦学技术与应用国家地方联合工程实验室，河南 洛阳 471023）
DOI：10.19533/j.issn1000-3762.2024.10.006摘 要 轴承波纹状损伤是新能源汽车、风电、高速铁路中电气设施的常见故障。为揭示不同载荷下轴承电蚀的损伤形式和微观损伤机制，重点讨论了波纹状损伤亮区与暗区的差异，使用扫描电子显微镜、光学显微镜、三维轮廓仪、能谱仪检测磨损表面的形貌和成分。结果表明，随着载荷的增加，GCr15轴承外沟道表面亮暗相间的波纹状损伤趋于不明显，波纹的宽度、高度差和表面粗糙度Ra值均减小；相比于亮区，暗区电蚀更严重，氧化程度更低，次表层碳化物聚集更多且硬度更低。分析认为轴承波纹状损伤过程伴随着金属-绝缘膜-金属电容式接触的周期性破坏和重建。关键词 滚动轴承；外圈；电蚀磨损；载荷；显微形貌分析；硬度轴承是执行承载、旋转和减少摩擦等功能的基本机械部件。随着新能源汽车、风电、高速铁路等机电驱动设备的快速发展，电机轴承要在更复杂的电磁场环境中工作，轴承电蚀已成为影响电动机系统安全运行的关键问题［1-2］。轴承电蚀有多种形式［3］，波纹状损伤因亮暗相间的形貌备受关注：LIU［4］发现波纹状损伤由不同密度的划痕组成，密集的划痕构成暗条纹，稀疏的划痕构成亮条纹；ZIKA等［5］认为低频电流对轴承滚道和滚动体造成了损伤，最终导致宏观亮暗相间条纹的形成；HE等［6］认为波纹状损伤因周期性电流的作用而形成，在光学显微镜下为亮暗相间的条纹；BISWAS等［7］观察了圆柱滚子轴承不同形状的波纹状损伤，发现滚子上条纹的形成晚于内外滚道上条纹的形成，且轴承振动随着条纹的形成而加剧；OLIVER等［8］认为波纹状损伤由滚动体经过电蚀坑时的机械共振引起。上述文献仅在视觉上对波纹状损伤进行描述，并未区分亮区与暗区损伤的非均匀性特征，如形貌、成分和硬度等。前期研究表明［9-10］波纹状损伤是轴承润滑膜击穿后形成的电蚀，该损伤在干摩擦状态下的滚动载流摩擦表面并未出现，因此，认为润滑膜击穿是波纹状损伤形成的必要条件之一。影响轴承润滑状态的因素包括载荷、转速、温度等，为确定单一因素对轴承波纹状损伤形成的影响，本文仅开展不同载荷下的轴承电蚀试验，并分析波纹状损伤亮区与暗区之间形貌、成分和硬度的差异。轴承样品为61808型深沟球轴承，材料为GCr15轴承钢，外径52 mm，内径40 mm，宽度7 mm，球数24，其内部填充长城2#通用锂基润滑脂。使用FTM-CF100滚动载流摩擦试验机开展轴承电蚀试验，该试验机主要由加载系统、主轴A和B、扭矩传感器和载流系统（图1a）组成。轴承样品和轴承卡具分别安装在主轴A和B上，加载系统缓慢地将主轴B推向主轴A，当轴承与卡具间的接触载荷达到预设值时，加载过程终止。在载流系统（图1b）中，交流电源AC提供的电流依次通过电阻R1、导电滑环S1、主轴A、轴承、卡具、主轴B、导电滑环S2和电阻R2，使轴承在测试过程中始终处于导电状态。电压表V1和V2分别检测主轴A，B和定值电阻R2两端的实时电压，电流表A1 检测回路电流。根据主轴A，B间的电压降和系统电流可计算轴承的等效电阻，根据扭矩值、轴承样品直径和载荷可计算轴承摩擦系数，试验前将扭矩调整为零。![]()
图1 FTM-CF100滚动载流摩擦试验机原理图Fig.1 Schematic diagram of FTM-CF100 rolling current-carrying friction tester为探究载荷对波纹状损伤形成过程的影响，径向载荷（以下载荷均指径向载荷）分别设置为50，100，200，300，400 N；设定交流电压幅值为3.7 V，频率为400 Hz，该电压幅值和频率处于工程领域轴电压范围内［2］，且预试验表明轴承在该条件下可形成波纹状损伤；根据61808型深沟球轴承的典型应用（如泵、车床和电焊机的电动机等）设置主轴A的转速为600 r/min，主轴B不旋转且只对轴承外圈传递静态接触载荷；每组试验持续2 h，重复3次。根据轴承结构参数计算可得球与内、外沟道之间的最大赫兹接触应力分别为1 281.49，1 268.85 MPa ［11］，GCr15轴承钢经淬回火处理后的理论屈服强度高于2 000 MPa［12］，因此试验过程中轴承处于弹性接触状态。电蚀试验结束后，清洗油脂并使用DK7735电火花加工数控线切割机对轴承进行切割，将内、外圈与球分离，以便清楚地观察轴承各零件表面的损伤情况。为辨别亮、暗损伤区域的细节，使用Leica DMi8C光学显微镜（Optical Microscopy，OM）和Nano Focus AG白光干涉三维轮廓仪对套圈沟道表面进行形貌观察；为观察放电引起的微观组织变化，沿轴承滚动方向再次切割外沟道，解剖出接触区域下方的次表层，切割后在XQ-2B抛光机上抛光并用4%硝酸乙醇溶液蚀刻约9 s，清洗干燥后通过JSM-5610LV扫描电镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）观察其微观结构。使用HV-1000维氏显微硬度计测试外沟道磨损表面及其次表层的硬度，测试力设定为2 N，保持15 s。不同载荷下轴承的平均等效电阻和摩擦系数如图2所示：![]()
图2 不同载荷下轴承的平均等效电阻和摩擦系数Fig.2 Average equivalent resistance and friction coefficient of bearing under different loads1）随着载荷从50 N增加到400 N，平均等效电阻从0.93 Ω减小到0.89 Ω。这是因为球与沟道接触区中心通常会形成一层厚度为0.1 ~ 1.4 μm的润滑膜，通电后形成一个复杂的电容-电阻系统［6，13］，当电压达到润滑膜击穿阈值时轴承等效电容将放电并产生击穿电流［14］，随着载荷的增加，润滑膜厚度减小，即轴承接触区绝缘介质的厚度减小，因而轴承在高载荷下更容易被击穿，且击穿后的平均等效电阻更低。2）不同载荷下轴承的摩擦系数为0.06 ~ 0.07，无明显规律。这是因为本文涉及力-电耦合的复杂工况，机械损伤和电蚀损伤共同影响了轴承接触表面的粗糙度，低载荷下接触表面电蚀损伤严重，机械损伤较弱；随着载荷的增加，电蚀损伤减弱，机械损伤加重，最终导致不同载荷下轴承的摩擦系数随机分布。不同载荷下轴承内沟道的表面形貌如图3所示：所有内沟道表面均未发现波纹状损伤，但均出现了严重电蚀和大量犁沟。因此本文研究的波纹状损伤与内沟道无关。![]()
图3 不同载荷下轴承内沟道的表面形貌Fig.3 Surface morphology of bearing inner raceway under different loads电蚀试验完成后，将轴承切成块，去除表面油脂，仅在外沟道加载部位观察到波纹状损伤，如图4所示（载荷为50 N时，外沟道波纹状损伤较明显）。![]()
图4 50 N下轴承外沟道加载部位对应的波纹状损伤Fig.4 Corresponding corrugated damage at loading site of bearing outer raceway under 50 N不同载荷下轴承外沟道的表面形貌如图5所示：载荷为50，100 N时，外沟道表面形成亮暗对比明显的波纹状损伤；载荷为200 N时，外沟道表面的波纹状损伤不明显， 亮区与暗区之间的界限不清晰；载荷为300 N时，外沟道表面很难分辨出波纹状损伤；载荷为400 N时，外沟道表面产生大量随机散布的电蚀坑；原始轴承外沟道表面光滑无磨损痕迹，随着载荷的增加，出现波纹状损伤并逐步变为随机电蚀坑。![]()
图5 不同载荷下轴承外沟道的表面形貌Fig.5 Surface morphology of bearing outer raceway under different loads图5中外沟道磨损面形貌信息见表1，相应的三维形貌如图6所示：表1 轴承磨损表面的形貌信息Tab.1 Morphology information of worn surface for bearing μm
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图6 不同载荷下轴承外沟道表面的三维形貌Fig.6 3D morphology of bearing outer raceway surface under different loads1）原始轴承外沟道表面粗糙度Ra值仅为0.59 μm；随着载荷从50 N增加到400 N，电蚀后外沟道表面粗糙度Ra值从1.06 μm减小到0.67 μm。2）随着载荷从50 N增加到200 N，亮区宽度从61.66 μm减小到47.05 μm，暗区宽度从121.58 μm减小到88.93 μm，亮区与暗区的高度差（根据三维软件导出的亮暗区域平均线轮廓数据相减得到）从1.29 μm减小到0.53 μm。3）载荷为300，400 N时，外沟道表面已很难区分波纹状损伤，随机分布着大量的电蚀坑。4）波纹状损伤亮区的宽度小于暗区宽度，均随着载荷的增加而减小，与图5结果对比可知，亮区处于较高位置。综上可知：轴承波纹状损伤呈亮暗相间的周期性形貌，亮区高度较高，宽度较小。图5b与图4的标记为同一标记，可精准定位波纹状损伤位置。由于篇幅有限，以下选择代表性的工况（50，200，400 N）进行研究，这些工况能够反映轴承波纹状损伤的趋势和关键特征。为分析波纹状损伤的氧化情况，在不同损伤轴承外沟道亮暗区域的交界处采集能谱信号，结果如图7所示：载荷为50，200 N时，波纹状损伤亮暗区域分界明显，表面Fe，C元素分布均匀，O元素分布对比明显，暗区表面存在密集的电蚀坑，但氧化程度较低，亮区电蚀坑明显较少，但氧化程度更高；载荷为400 N时，表面均布电蚀坑，电蚀坑内氧化程度更低；原始轴承外沟道表面的氧化则比较均匀。![]()
图7 不同载荷下轴承外沟道表面的元素分布Fig.7 Elements distribution of bearing outer raceway surface under different loads为精确分析轴承外沟道的氧化情况，采用点扫描的能量色散光谱（Energy Dispersive Spectroscopy， EDS）模式定量测试表面氧化程度，外沟道表面不同位置（图7中标注的位置点）O：Fe原子比如图8所示，随着载荷的增加，亮区和暗区的氧化程度均有所下降，且暗区氧化程度低于亮区。在干摩擦状态下的载流摩擦研究中，一般认为电蚀区承受的温度较高，氧化更为严重［15］。但本文结果显示，电蚀区的氧化程度较低，说明润滑条件下的电蚀机制可能与干摩擦条件下不同。![]()
图8 轴承外沟道表面不同位置的O：Fe原子比Fig.8 O：Fe atomic ratio at different locations of bearing outer raceway surface滚动过程中轴承钢可能由于机械和放电热效应而发生微观组织变化［14， 16］，仅由转速引发的温升低于轴承钢的低温回火温度［11］，不足以改变轴承钢的微观组织；但电弧放电的高温可达6 727 ~ 7 727 ℃［17］，远高于GCr15轴承钢的熔点（1 370 ~ 1 410 ℃）。通过扫描电镜观察轴承外沟道切面的微观结构如图9所示。![]()
图9 不同载荷下轴承外沟道切面的SEM图像Fig.9 SEM image of cross section of bearing outer raceway under different loads1）轴承钢的原始组织为细小的马氏体，碳化物分布均匀。2）载荷为400 N时，滚动表面发生了比较均匀的电蚀，在次表层观察到更多和更细微的碳化物析出，该现象可能与电蚀高温引起的马氏体分解有关。3）对比50 N载荷下波纹状损伤亮区与暗区交界处的微观结构，可发现碳化物在暗区表层有一定的富集现象且碳化物粒径有所增大。放电过程中的瞬态高温引起轴承钢熔融和飞溅并形成电蚀坑，放电部位高温导致周围热影响区的马氏体分解，过饱和的C元素从马氏体中析出，与铁元素结合形成碳化物［18］。暗区电蚀程度高于亮区，因而暗区表层析出的碳化物更多。轴承钢的力学性能与其微观组织的变化密切相关。为探究波纹状损伤对硬度的影响，对磨损样品的表层硬度进行分析，如图10所示：![]()
图10 不同载荷下磨损样品外沟道表层的硬度Fig.10 Hardness of outer raceway surface layer of worn sample under different loads1）沿深度方向，原始轴承外沟道硬度均匀，均为778.6 HV。2）载荷为400 N时，外沟道表面产生随机分布的电蚀坑，0，30，60，90 μm深度的硬度分别为753.6 ，770.3，778.6，778.6 HV。3）载荷为50 N时，亮、暗区硬度从表面的778.6 HV分别降至726.2，713.0 HV；相同深度下暗区硬度略低于亮区，这是因为波纹状损伤中不均匀的电蚀作用使暗区硬度低于亮区；深度增加到60 μm时，硬度恢复到778.6 HV。因此，波纹状损伤越严重，硬度越低。由于硬度的下降与马氏体分解密切相关，硬度测试结果与微观结构观察结果一致。波纹状损伤的形成与轴承振动、轴电流周期性放电等因素有关［19-20］，但多数研究并未详细分析波纹状损伤亮区与暗区之间的差异。本文试验结果表明，波纹状损伤亮区与暗区在表面形貌、三维形貌、氧化、显微结构、硬度等方面均存在显著差异。轴承电接触实质为润滑条件下的滚动载流摩擦接触，只有在轴承内建立稳定的润滑膜，接触区域才能形成金属-绝缘膜-金属电容结构。低载荷下润滑膜厚度较大［21］，击穿时所需能量较大，击穿放电能量较高；高载荷下润滑膜厚度较小，击穿所需能量较少，击穿放电能量较低。在干摩擦条件下，金属与金属发生电接触，电流直接流通而不需要击穿［22-23］，因此，只有在金属-绝缘膜-金属接触模式下轴承才能发生击穿和电蚀。由于绝缘润滑膜的保护作用，击穿时接触区域轴承材料与空气隔离，氧化程度较低；击穿发生后，轴承材料和润滑材料的膨胀和气化会将润滑材料推开，同时球向前运动形成新的接触；由于新的接触缺乏润滑膜的隔离作用，该区域击穿现象不明显，而且与空气接触发生氧化；后续滚动过程中润滑膜重新建立，周而复始地发生润滑膜的破坏与重建，对应的电蚀损伤也处于严重与轻微的动态交替，从而形成亮暗相间的波纹状损伤。因此，波纹状损伤出现的原因可能在于金属-绝缘膜-金属电容接触的击穿与重建。波纹状损伤的必要条件是接触区域存在绝缘润滑膜，该润滑膜同时提供了击穿介质和氧化隔离，导致暗区电蚀严重但氧化程度更低。低载荷下润滑膜厚度更大，电击穿所需能量更高，波纹状损伤更明显。综上，波纹状损伤的不均匀性与轴承电接触状态的交替变化有关。这一机制可以解释波纹状损伤的非均匀特点，与表面形貌、成分和硬度的试验结果吻合。但仍有一些问题需要进一步探索，如直流电很难诱导波纹状损伤，波纹状损伤的周期性与交流电频率的关系，波纹状损伤与振动的关系，波纹状损伤的演变过程等。本文研究了不同载荷下轴承的波纹状损伤，并基于表面形貌、成分、显微组织、硬度等分析了波纹状损伤的非均匀性，得到如下结论：1）随着载荷的增加，润滑膜厚度的减小导致轴承平均等效电阻减小。由于润滑膜击穿所需能量减少，击穿放电能量较低，载荷越大，外沟道的波纹状损伤越轻微，而逐渐演变为电蚀坑。2）与亮区相比，暗区高度较低，电蚀更集中，氧化程度较低，硬度较低，次表层马氏体分解更明显。3）轴承电蚀过程中金属-绝缘膜-金属电容式接触周期性破坏和重建。绝缘润滑膜提供了击穿介质，但也保护了轴承材料，减少了氧化。![]()
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LOU Zhihao ![]()
SONG ChenfeiREN YulongDU SanmingZHANG Yongzhen
（National United Engineering Laboratory for Advanced Bearing Tribology， Henan University of Science and Technology， Luoyang 471023， China）
Abstract: The corrugated damage in bearings is a common fault in electrical facilities for new energy vehicles， wind turbines and high-speed railways. In order to reveal the damage forms and microscopic damage mechanisms of electrical erosion of bearings under different loads， the difference between bright and dark areas of corrugated damage is discussed emphatically. The scanning electron microscopy， optical microscopy， 3D profilometer and energy dispersive spectrometer are used to detect the morphology and composition of worn surface. The results show that with the increase of load， the corrugated damage on GCr15 bearing outer raceway surface with alternating bright and dark morphologies tends to be inconspicuous， and the width， height difference between corrugations and surface roughness Ra value decrease；compared with bright area， the dark area withstands more severe electrical erosion， less oxidation， more carbide enrichment and lower hardness in subsurface layer. The analysis suggests that the corrugated damage process of bearings is accompanied by periodic destruction and reconstruction of metal-insulating film-metal capacitive contacts.
Keywords: rolling bearing；outer ring；electrical erosion wear；load；microscopic morphology analysis；hardness![]()
作者简介：娄志浩（1998—），男，硕士研究生，研究方向为轴电压工况下GCr15钢表层组织性能演变规律与机制，E-mail：210321020249@stu.haust.edu.cn。
基金信息： 河南省高校科技创新人才计划（24HASTIT007）；国家重点研发计划资助项目（2020YFB2007900）；国家自然科学基金资助项目（52275185）
中图分类号： TH133.33；TH117.1
文章编号：1000-3762（2024）10-0039-07
文献标识码： B
收稿日期：2024-01-27
修回日期：2024-04-26
出版日期：2024-10-05
网刊发布日期：2024-10-08
